CN102596464B - 圆头立铣刀中切削刃几何形状的优化 - Google Patents

Abstract

一种通过对沿修圆部分（16）的切削刃（29）的前角（30）和后角（34）二者的几何参数进行优化而改良的圆头立铣刀（10），其中该前角和该后角沿该切削刃从该修圆部分的外径到刃尖逐渐增加。

Description

圆头立铣刀中切削刃几何形状的优化

技术领域

本发明涉及圆头立铣刀，更具体地涉及对沿圆头立铣刀的修圆部分的前角和后角的优化。

背景技术

典型的球头立铣刀（如图1中所示的）总体上表示为10，包括一个刀柄12，平直的或圆锥形的切削部分14以及修圆的切削部分16。球头立铣刀在修圆部分16处的切削速度从该球形的外径18处朝向刀尖20逐渐减小。这个切削速度与直径直接相关，并且可以用等式V=NπDsinθ来表示（参见图2和图3）。其中V是切削速度或切向速度（米/秒），N是旋转速度（转/秒），D是外径18（米），而θ（以21表示）是刀具的纵向中心线22与从修圆的切削部分16的中心点26延伸到切削刃29上的一个测量点28的任意线24之间的夹角。

因此切削速度是根据这个正弦等式与角θ相关联的，这意味着速度在靠近刀具的中心处接近于零，在0°<θ<30°的范围内迅速提高，其中对于θ=30°，速度V是最大速度的一半，并且在30°<θ<90°的范围内缓慢提高至在修圆部分16的外径18处的最大速度。

如图4（沿图3的线A-A截取的一个截面图）中可见的，切削刃的几何形状描绘了通常对应地用希腊字母α、β、γ来表示的前角30、楔形角32和后角34。

惯常通过研磨过程来修磨的实心高速钢（HSS）和硬质合金刀具典型地沿修圆部分16的切削刃29具有恒定的前角、楔形角和后角。其结果是，如图3中以不同θ值来截取的每个A-A截面将具有相同的α、β、γ角。

现代研磨技术允许更灵活地对后角进行成形。在美国专利5,558,475中提出了一个实例，它披露了一种刀具带有沿整个半径的大小为+8°±2°的恒定正前角α以及一个连续的、尺寸依赖于朝向中心在17°±2°到10°±2°之间减小的间隙（后）角γ。该前角和间隙角是在一个垂直于切削刃的平面中测量的。在上述专利的一个优选实施方案中，一个球头立铣刀具有一个从周边到中心由15°到10°的减少的间隙角。

向球头立铣刀和圆端立铣刀引入一次性硬质合金镶片已允许了甚至更为复杂的结构。例如在美国专利号6,024,519中说明了这样一种结构，它披露了一种用于球头立铣刀的抛弃型镶片，这种球头立铣刀带有多个倾斜的前刀面，由此使得离开这些鼻部越远，这些前面从凹槽处升起得越陡。这样，越靠近切削速度较高的那一侧，前角就越大。

上述专利中给出的一个具体实例是一种刀具，该刀具在其周边具有在5°至25°之间的前角α和85°至65°的楔形角β，并且后角γ最小。这样，除了在这些鼻部中前角α为负外，在切削刃的任何纵向部分处这些前角都是正的。

然而，对于旨在用于具有快速的水平进给速率的多轴线CNC机加工的刀具而言，邻接刃尖20的一个负的或者甚至为零的前角则在机床、刀具以及工件上施加了非常大的力。通过参考图4和图5（它们示出了沿图3的线A-A和线B-B截取的截面图）可以更好地理解这一点。沿着平行于机器的水平进给一条水平线截取的截面B-B代表了涉及水平进给时实际的工作截面。三角学领域的普通技术人员应认识到，在沿着一条径向直线到沿切削刃29的任意点28的截面中看到的（如在图4中所示出的）正前角和正后角α、γ将在平行于水平面、穿过沿切削刃29的同一个点28的截面中看到的（如在图5中所示出的）对应地显得更小（α1<α，γ1<γ）。

这样，该刀具邻近刃尖20的低切削速度与几何形状上减小的水平进给前角和后角的这种组合就如上所解释地产生提高的切削力、热量和粗糙表面质量。

在本申请人作出的一个实验性研究中，已经显示切削刃的几何形状的进一步优化提供了更好的性能和表面质量并且延长刀具的寿命。

发明内容

因此本发明的一个目的是提供沿圆头立铣刀的修圆部分的前角和后角的优化，从而进一步改进刀具性能。

本发明的另一个目的是提供一种同等地适用于不同工件材料的一般性解决方案。

这些目的是根据本发明的一个实施方案来通过以下方式实现的，即提供一种通过对沿修圆部分的切削刃的前角和后角二者的几何参数进行优化而改良的圆头立铣刀，其中该前角和该后角沿该切削刃从修圆部分的外径到刃尖逐渐增加。

前角或后角沿切削刃的增加率相对于角位置可以通过选自下表中的一个术语来表达，即线性地、三次方地、指数地、对数地表达、或者与任何其他数学表达相符，并且由通过线性插值而关联的一个列表数值集合来限定。

此外，前角或后角的这种增加不是受限于特定的值，而是额外加在原先应该已经为一个等效的未改良刀具对于同一种工件材料而规定的一个初始数值上。

附图说明

为了理解本发明并且弄清在实践中可以如何将其实现，现在仅通过非限制性实例并参照附图对多个实施方案予以说明，在附图中：

图1是标准球头立铣刀的正视图；

图2是如图1中的立铣刀在修圆部分处的局部截面图；

图3是如图2中的立铣刀的修圆部分的放大截面图；

图4是沿图3中的线A-A截取的放大截面图，示出了沿一条径向直线的切削几何形状；

图5是沿图3中的线B-B截取的放大截面图，示出了沿一条水平直线的切削几何形状；

图6是根据一个第二实施方案的立铣刀的修圆部分如图3的放大截面图；

图7是配装有可更换的硬质合金镶片的球头立铣刀的正视图；

图8是一个圆端立铣刀如图3的放大截面图；以及

图9是配装有可更换的硬质合金镶片的圆端立铣刀的正视图。

具体实施方式

通过参考这些附图，应该指出这些附图在总体上表示了该刀具的切削几何形状，因此它们等同地应用于对现有技术以及本发明所提出的新技术的阐述中。

根据本发明，提供了一种通过对沿修圆部分16的切削刃29（图1）的前角30（α）和后角34（γ）二者（图4）的几何参数进行优化而改良的一种圆头立铣刀，它总体上表示为10（图1）。因为楔形角32（β）是将前角30（α）与后角34（γ）的和补足到90°的部分，即（β=90°-（α+γ）），故以下将不作考虑。

在本发明的第一实施方案中，前角30（α）和后角34（γ）沿切削刃29从外径18（此处对于直切削部分14而言θ=90°）到刃尖20（此处θ=0°）逐渐增加。前角30（α）的总的增加量在1°到10°的范围内，而后角34（γ）的总的增加量在1°到15°的范围内。

例如，根据这个实施方案的一个球头立铣刀可以配备有在θ=90°处为10°、并且沿着切削刃逐渐增加到在θ=0°处为15°的一个前角，以及在θ=90°处为5°、并且沿着切削刃逐渐增加到在θ=0°处为12°的一个后角。

应理解的是该前角或后角沿切削刃29的增加率相对于角θ可以线性地、三次方地、指数地、对数地表达、或者可以与任何其他数学表达相符、或者是由通过线性插值而关联的一个列表数值集合来限定。

本发明的原理不受限于一种特定的工件材料，前角和后角的这种增加是额外加在原先应该已经对于同一种工件材料规定的初始数值上。例如，已知的是，在对软材料（像铝）进行机加工时采用较大的前角和后角而在对钢进行机加工时采用较小的前角和后角。因此用于对铝进行机加工的一个典型的球头立铣刀根据该第一实施方案可以具有在θ=90°处为15°、并且沿着切削刃29逐渐地线性增加到在θ=0°为22°的一个前角，以及在θ=90°处为10°、并且沿着切削刃29逐渐地线性增加到在θ=0°为20°的一个后角。用于对钢进行机加工的一个典型的球头立铣刀根据该第一实施方案可以具有在θ=90°处为5°、并且沿着切削刃29逐渐地指数增加到在θ=0°为10°的一个前角，以及在θ=90°处为4°、并且沿着切削刃29逐渐地线性增加到在θ=0°为12°的一种后角。

在本发明的一个第二实施方案中，切削刃29的弧线被分成至少两个独立的圆扇段。例如参见图6，限定了三个扇段，一个第一扇段40用于90°>θ>70°的范围，一个第二扇段42用于70°>θ>30°的范围以及一个第三扇段44被限定用于30°>θ>0°的范围。对于这些扇段40、42、44中的每一个而言，采用了前角30和后角34的一个不同的增加量。例如，沿第一扇段40，前角30的总增加可以在0°到1°的范围内，沿第二扇段44，前角30的总增加可以在0.5°到3°的范围内，并且沿第三扇段44，前角30的增加可以在2°到10°的范围。因此，沿第一扇段40后角34在0°到2°的范围内增加，沿第二扇段44，后角34在1°到5°的范围内增加，并且沿第三扇段44，后角34在3°到15°的范围内增加。

本发明并不受限于上述通过参考图1至图6说明的实心高速钢（HSS）或硬质合金刀具，而是还可以在相同的程度上应用于具有其他适合的切削刀具材料（像陶瓷）的球头立铣刀以及配备有硬钎焊的或是可替换的、具有适合的切削刀具材料的一次性镶片的那些刀具。例如，图7示出了一种配备有硬钎焊的或是可替换的一次性硬质合金镶片48的球头立铣刀，它典型地具有一个小的或为零的槽螺旋角。

参见图8和图9，示出了总体上表示为50的一个圆端立铣刀的修圆部分，其中切削刃53弧线的中心52是在刀具50的旋转轴线54之外。本发明根据该第一和第二实施方案的原理以相同的方式沿切削刃53弧线是可应用于θ的正值的。然而，进一步限定了一个额外的圆扇段58，它优选在0°到5°的范围内。根据本发明涉及一个圆端立铣刀的第三实施方案，处于角θ的负值部分中但仍然属于同样的0°>θ>-5°的范围的这个额外的扇段58配备有一个直的切削刃59，该切削刃从切削刃53上的最低接触点60以一个角62朝向刀具50的旋转轴线54升起，这个角可以在0°到2°的范围内。

额外的扇段58沿切削刃59的这种切削几何形状，优选地跟随按参照上述第一和第二实施方案对于θ=0°而定义的前角和后角。这个第三实施方案同等地适用于如在图8中所示出的实心高速钢或硬质合金刀具，以及如在图9中所示出的带有硬钎焊的或可替换的一次性镶片64的刀具。

虽然已经参照一种两槽的圆柱形立铣刀对本发明进行了说明，但是同样的原理可适用于带有在圆周圆上被均匀地或者不均匀地间隔开的一个、三个、四个、五个或者任何数量的槽，以及其他刀具形状（例如圆锥形的、球形的或者多齿的平面铣刀），它们全部落入权利要求书的范围之内。

对于本领域的普通技术人员不言而明的是本发明不受限于以上展示的实施方案的细节并且本发明可以通过其他具体形式来实施而不背离其精神或者本质属性。这些实施方案因此在所有方面应被理解为说明性的并且非限制性的，本发明的范围是由所附的权利要求书表明的而不是由以上说明表明的，并且因此旨在将权利要求书的等效表述的含义和范围之内发生的所有变更包括在其中。

Claims (13)

1.一种通过对沿修圆部分的切削刃的前角和后角二者几何参数进行优化而改良的圆头立铣刀，其中该前角和该后角沿该切削刃从该修圆部分的外径到刃尖逐渐增加；其中，该前角或后角沿该切削刃的增加率相对于角位置的关系是选自以下的一个函数，即线性函数、三次函数、指数函数、对数函数，或者是由通过线性插值来关联的一个列表数值集合来限定。

2.如权利要求1所述的圆头立铣刀，其中，该前角的总的增加量是在1°到10°的范围内，而该后角(34)的总的增加量是在1°到15°的范围内。

3.如权利要求1所述的圆头立铣刀，其中，所述前角或后角的增加是额外加在一个等效的未改良刀具对于同一种工件材料的一个初始数值上。

4.如权利要求1所述的圆头立铣刀，其中，该切削刃的弧线被分成至少两个单独的圆扇段，对于这些扇段中的每一个采用前角和后角的不同的增加量。

5.如权利要求1所述的圆头立铣刀，其中，所述立铣刀是由实心高速钢或者硬质合金或者陶瓷制成的。

6.如权利要求1所述的圆头立铣刀，其中，所述立铣刀装备有钎焊的或可替换的舍弃式硬质合金镶片。

7.如权利要求4所述的圆头立铣刀，其中，该切削刃弧线的中心在该刀具的旋转轴线之外。

8.如权利要求7所述的圆头立铣刀，其中，一个额外的圆扇段被进一步限定在0°到5°的范围内，并且配有一个直的切削刃，该直的切削刃从该切削刃的弧线上的最低接触点以一个在0°到2°的范围内的角朝向该刀具的该轴线升起。

9.如权利要求8所述的圆头立铣刀，其中，所述额外的圆扇段沿所述直的切削刃的切削几何形状的前角和后角遵循所述修圆部分的切削刃在所述最低接触点处定义的前角和后角。

10.如权利要求8所述的圆头立铣刀，其中，所述立铣刀是由实心高速钢或者硬质合金或者陶瓷制成的。

11.如权利要求8所述的圆头立铣刀，其中，所述立铣刀配备有硬钎焊的或可替换的舍弃式硬质合金镶片。

12.如权利要求1所述的圆头立铣刀，具有选自以下中的一种旋转刀具结构，即单槽、在圆周圆上被均匀地或者不均匀地间隔开的多槽。

13.如权利要求1所述的圆头立铣刀，具有从以下中选定的一种旋转刀具形状，即平直形的、圆锥形的、球形的以及多齿的平面铣刀。